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UFRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA - DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL DISCIPLINA: MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I APOSTILA: MADEIRA COMO MATERIAL DE CONSTRUÇÃO PROFESSOR: JORGE SANTOS RIO DE JANEIRO - BRASIL UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 1 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 2 2. PRINCIPAIS VANTAGENS DO SEU USO ............................................................................ 2 3. PRINCIPAIS DESVANTAGENS DO SEU USO..................................................................... 3 4. EMPREGOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL................................................................................ 3 5. FATORES QUE INFLUENCIAM AS PROPRIEDADES DA MADEIRA .................................. 3 6. CRESCIMENTO DAS ÁRVORES ......................................................................................... 4 6.1. Composição da árvore ................................................................................................... 4 6.2. Constituição do tronco .................................................................................................... 4 6.3. Crescimento do tronco ................................................................................................... 6 7. MADEIRA SERRADA E BENEFICIADA - PADRONIZAÇÃO (NBR 7203) ............................. 6 7.1. Nomenclatura de Peças de Madeira Serrada ................................................................. 7 7.2. Dimensões de Madeira Beneficiada ............................................................................... 7 7.3. Dimensões de Madeira Beneficiada ............................................................................... 7 7.4. Tolerâncias ..................................................................................................................... 7 8. BENEFICIAMENTO DA MADEIRA ....................................................................................... 8 8.1. Secagem das Madeiras .................................................................................................. 8 8.1.1. Mecanismo de Perda de Umidade ........................................................................... 8 8.1.2. Secagem Natural ................................................................................................... 10 8.1.3. Secagem Artificial .................................................................................................. 11 8.2. Preservação ................................................................................................................. 12 8.2.1. causas da Deterioração da madeira ...................................................................... 12 8.2.2. Principais Processos de Preservação .................................................................... 13 8.2.3. Principais Produtos de Preservação ...................................................................... 17 8.3. Transformação ............................................................................................................. 20 8.3.1. Madeira Laminada ................................................................................................. 20 8.3.2. Madeira compensada ............................................................................................ 21 8.3.3. Madeira aglomerada .............................................................................................. 22 8.3.4. MDF – Medium Density Fiberboard ....................................................................... 24 8.3.5. OSB – Oriented Strand Board ............................................................................... 25 8.3.6. Colas e aglomerantes de madeira ......................................................................... 26 9. Propriedades da Madeira .................................................................................................... 26 9.1. Fatores que alteram as propriedades da madeira ........................................................ 26 9.1.1. Fatores naturais..................................................................................................... 27 9.1.2. Fatores Tecnológicos ............................................................................................ 27 9.2. Amostragem para ensaios tecnológicos ....................................................................... 27 9.3. Ensaios tecnológicos para a determinação das propriedades ...................................... 29 9.3.1. Umidade ................................................................................................................ 29 9.3.2. Massa específica aparente .................................................................................... 30 9.3.3. Retrabilidade ......................................................................................................... 32 9.3.4. Condutibilidade térmica ......................................................................................... 35 9.3.5. Condutibilidade elétrica ......................................................................................... 36 9.3.6. Resistência à compressão ..................................................................................... 36 9.3.7. Módulo de elasticidade .......................................................................................... 40 9.3.8. Flexão estática ...................................................................................................... 40 9.3.9. Flexão dinâmica .................................................................................................... 41 9.3.10. Tração normal as fibras ...................................................................................... 42 9.3.11. Fendilhamento .................................................................................................... 43 9.3.12. Dureza ................................................................................................................ 43 9.3.13. Cisalhamento ...................................................................................................... 44 UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 2 1. INTRODUÇÃO Podemos afirmar que a madeira por suas características técnicas, econômicas e estéticas, é um material excepcional e matéria prima industrial de múltiplo aproveitamento. Estas características inerentes à madeira dificilmente serão apresentadas em conjunto por outros materiais. A madeira foi o primeiro material estrutural utilizado pelo homem, que se tem notícia, para fins de resistência à tração e à compressão. Como material de construção, tem hoje um grande consumo, principalmente nos países desenvolvidos, quer seja com uso provisório ou uso definitivo. No Brasil, infelizmente, o uso da madeira como material de construção ainda é muito reduzido, principalmente se levarmos em conta a grande disponibilidade de matéria prima. Há um grande bloqueio no uso da madeira nas construções tanto do ponto de vista do consumidor como dos Órgãos governamentais. Nossas construções cujos modelos foram herdados dos colonizadores ibéricos, são executadas em alvenaria e concreto, relegando a madeira ao uso provisório ou secundário como acessório. A madeira ao longo dos anos tem sido substituída por materiais cujas tecnologia se desenvolveram tornando-os com maior eficáciaou economia. Contudo a madeira nunca perderá a sua importância como material de construção, por ser renovável. As nossas florestas, nativas ou plantadas, atendem as necessidades do mercado e continuarão atendendo se receberem por parte das autoridades competentes o manejo e a preservação adequadas. Infelizmente, a tecnologia da madeira não evoluiu muito desde o inicio da sua exploração e uso. Este fato provavelmente, deve-se a sua grande disponibilidade e relativa facilidade de exploração e uso. Como conseqüência deste aspecto, enquanto homem estuda e desenvolve outros materiais, permitindo o perfeito conhecimento de suas características e parâmetros recomendáveis para o seu uso, a madeira na grande maioria das vezes é usada de forma inadequada, apresentando desempenho insatisfatório. Estes resultados insatisfatórios comprometem ainda mais a madeira, fazendo com que a considerem ultrapassada, inferior e que recomendem o seu uso somente em situações transitórias ou na impossibilidade de uso de outros materiais considerados mais nobres. 2. PRINCIPAIS VANTAGENS DO SEU USO • Facilidade de obtenção, em função da grande disponibilidade (reservas florestais) e simplicidade de extração e preparo para o uso; • Apresenta baixo custo de produção; • As reservas (matéria prima) podem ser renovadas; • É facilmente trabalhada com ferramentas e técnicas simples; • Tem peso próprio reduzido e grande resistência mecânica tanto à tração na flexão como à compressão; UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 3 • Resiste bem a choques e esforços dinâmicos; • Apresenta boas características de isolamento térmico e absorção acústica e quando seca, é um bom dielétrico; • No estado natural apresenta grande variedade de padrões estéticos. 3. PRINCIPAIS DESVANTAGENS DO SEU USO • A variação de sua umidade, provoca tensões internas e consequentemente a redução de suas propriedades mecânicas; • É bastante vulnerável aos agentes externos, e sua durabilidade, quando desprotegida, é muito limitada; • Heterogeneidade e anisotropia quanto a sua constituição; • É um material combustível tornando a construção vulnerável a incêndios, quando numa exposição demorada. Observação: Tratamentos e processos produtivos tais como secagem artificial controlada, de preservação, transformação e laminados, contraplacados e aglomerados de madeira, neutralizam e aumentam a durabilidade da madeira. 4. EMPREGOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL A madeira pode participar provisoriamente ou definitivamente em todas as etapas de uma construção, desde a fundação, estrutura, pavimentos, vedações e revestimentos, até a cobertura. Exemplos: obras provisórias - andaimes, formas, escoramentos, etc... obras definitivas - estruturas (pilares, vigas, de telhados, estacas), esquadrias, pisos, forros, revestimentos, etc... 5. FATORES QUE INFLUENCIAM AS PROPRIEDADES DA MADEIRA Todas as propriedades da madeira após o corte sofrem grande influência dos teores de umidade. A falta de homogeneidade decorrente da própria matéria prima (a árvore) também traduz grande influência nas madeiras. Dessa forma as propriedades da madeira dependem: • Da essência (natureza) que a produzir; • Para uma mesma espécie, das condições e que cresceu (clima, tipo de solo, modo de plantação e cultura, etc) • Numa mesma árvore, do local da árvore que foi extraída a peça. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 4 6. CRESCIMENTO DAS ÁRVORES 6.1. Composição da árvore A árvore compõe-se de: raiz - ancora a árvore ao solo e dele retira a água contendo sais minerais dissolvidos: a seiva bruta, necessária ao crescimento do vegetal. caule (tronco) - sustenta a copa com sua galharia e conduz por capilaridade a seiva bruta, desde a raiz até as folhas da copa e a seiva elaborada, das folhas para o lenho em crescimento. copa - desdobra-se em ramos, folhas, flores e frutos. Nas folhas processa-se a transformação da água e sais minerais pela ação do oxigênio, em compostos orgânicos (a seiva elaborada). 6.2. Constituição do tronco Para a produção da madeira, o tronco tem a maior utilização, assim vamos estudar sua constituição. Se fizermos um corte transversal no tronco observaremos que ele é constituído das seguintes camadas: Vamos examinar cada componente: a) casca Tem pouca importância do ponto de vista da construção . Protege o lenho e é o veículo da seiva elaborada das folhas para o lenho do tronco. É formada por dois extratos: • extrato externo e epidérmico - tecido morto, denominado cortiça ou camada cortiçal) UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 5 • extrato interno - formado de tecido vivo, mole e úmido, condutor da seiva elaborada, denominado líber ou floema. A casca racha, cai e é renovada pois não tem crescimento por ser um tecido morto. É utilizado para a produção de cortiça (exemplo: sobral, angico rajado e a corticeira). Na construção é utilizada como isolantes termoacústicos na forma de revestimento de paredes e forros, recheios de entrepisos. b) Câmbio Fina e quase invisível camada de tecidos vivos, localizada entre a casca e o alburno. Constituído de células em permanente transformação. Tanto o câmbio quanto o líber, são vitais para o crescimento da árvore. Se ocorrer o seccionamento de ambos, haverá a inevitável morte do vegetal. No câmbio se processa a transformação dos açucares e amidos em celulose e lignina, principais constituintes do tecido lenhoso. c) Alburno De cor mais clara que o cerne é formado de células vivas e atuantes. Além da função resistente, faz-se condutor da seiva bruta, por ascensão capilar, desde as raízes até a copa. Varia de 25 a 50 % do lenho. O seu aproveitamento na construção civil de forma permanente não é recomendado. d) Cerne De cor mais escura é formado de células mortas e esclerosadas. as alterações do alburno vão formando e ampliando o cerne. As alterações progressivas são processos de crescente espessamento das paredes celulares, provocados por sucessivas impregnações de lignina, resinas, taninos e corantes. Em conseqüência o cerne tem mais densidade, resistência mecânica, compacidade e principalmente maior durabilidade, pois sendo tecido morto não é atrativo aos insetos e outros agentes de deterioração. e) Medula É o miolo central da seção transversal da tora da madeira. Tecido frouxo, mole e esponjoso, não tem resistência mecânica e nem durabilidade. A medula desaparece com o aumento da idade das árvores. f) Raios medulares São encontrados ainda na seção do tronco de uma árvore os raios medulares, que são linhas partindo da medula para diferentes pontos da casca. Sua principal função é o transporte e armazenamento de nutrientes. Sua presença quando em abundância, é benéfica na medida em que realiza uma amarração transversal das fibras impedindo que trabalhem exageradamente frente às variações do teor de umidade. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 6 6.3. Crescimento do tronco O crescimento do caule no sentido transversal faz-se por camadas concêntricas, periféricas e sucessivas alojadas sobre o alburno de dentro para fora, e sobre o líber de fora para dentro formando o câmbio. O crescimento de lenho é interrompido no inverno, de forma que a idade da árvore pode ser conhecida pelo número de camadas concêntricasde seu corpo lenhoso. As camadas concêntricas são oriundas da transformação dos açucares e amidos em celulose e lignina ocorridas no câmbio e são denominadas anéis anuais de crescimento. O crescimento da árvore varia conforme a natureza do solo, a essência florestal, o clima e a sua exposição. Enquanto a árvore é nova o crescimento anual é rápido, tornando-se mais lento de ano para ano até anular-se por completo quando a árvore atinge o máximo de seu desenvolvimento. Exemplo: - carvalho (atinge o máximo de desenvolvimento aos 80 anos) - pinheiro (atinge o máximo de desenvolvimento aos 115 anos) Os anéis de crescimento permitem caracterizar três direções diferenciais da anisotropia da madeira: axial - segundo o eixo da árvore tangencial - tangente aos anéis de crescimento radial - normal aos anéis de crescimento 7. MADEIRA SERRADA E BENEFICIADA - PADRONIZAÇÃO (NBR 7203) A nomenclatura de peças de madeira serrada e os padrões de dimensões (bitola) de madeira serrada e madeira beneficiada são fixados na norma brasileira NBR 7203: Radial Tangencial Axial UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 7 7.1. Nomenclatura de Peças de Madeira Serrada NOME DA PEÇA ESPESSURA (CM) LARGURA (CM) pranchões prancha viga vigota caibro tábua sarrafo ripa > 7,0 4,0 - 7,0 > 4,0 4,0 - 8,0 4,0 - 8,0 1,0 - 4,0 2,0 - 4,0 < 2,0 > 20,0 > 20,0 11,0 - 20,0 8,0 - 11,0 5,0 - 8,0 2,0 - 10,0 2,0 - 10,0 < 10,0 7.2. Dimensões de Madeira Beneficiada PEÇA DIMENSÕES SEÇÃO TRANSV. (CM) PEÇA DIMENSÕES SEÇÃO TRANSV. (CM) pranchão vigas ripas 15,0 x 23,0 10,0 x 20,0 7,5 x 23,0 15,0 x 15,0 7,5 x 15,0 7,5 x 11,5 5,0 x 20,0 5,0 x 15,0 1,2 x 5,0 caibros sarrafos tábuas 7,5 x 7,5 7,5 x 5,0 5,0 x 7,5 5,0 x 6,0 2,2 x 7,5 3,8 x 7,5 2,5 x 23,0 2,5 x 15,0 2,5 x 11,5 7.3. Dimensões de Madeira Beneficiada PEÇA DIMENSÕES SEÇÃO TRANSVERSAL (CM) soalho forro batentes rodapé rodapé tacos 2,0 x 10,0 1,0 x 10,0 4,5 x 14,5 1,5 x 15,0 1,5 x 10,0 2,0 x 2,1 7.4. Tolerâncias As tolerâncias nas dimensões nas dimensões da seção transversal são as seguintes: a) em madeira serrada = mais ou menos 1 % b) em madeira beneficiada = mais ou menos 0,5 % obs.: Os comprimentos são definidos por ocasião da encomenda. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 8 8. BENEFICIAMENTO DA MADEIRA A decomposição das madeiras assemelha-se à deterioração dos animais. Assim como um cadáver começa a decompor-se, mal cessa a vida que o animava, igualmente a árvore abatida, embora não tão rapidamente, inicia um processo de apodrecimento. Assim sendo, torna-se necessário à aplicação de processos de beneficiamentos que transformem os tecidos que compõe a madeira em um meio estéril aos organismos deterioradores. 8.1. Secagem das Madeiras A madeira deverá ser empregada seca ou quando não for possível, com um grau de umidade compatível com o ambiente de emprego. O uso da madeira seca apresenta as seguintes vantagens: • redução do peso; • redução da contração e, portanto menor possibilidade de fendilhamentos e empenamentos após a madeira ser posta em uso; • aumento da resistência, na medida em que for sendo eliminada a água de impregnação do tecido lenhoso; • maior resistência aos agentes de deterioração, principalmente aos fungos que necessitam de elevados teores de umidade para sobreviver; • melhor condição para receber os produtos de impregnação nos processos de preservação; • melhor condição para receber pintura ou envernizamento de proteção. 8.1.1. Mecanismo de Perda de Umidade A umidade está presente na madeira sob a forma de água de constituição, água de impregnação e água livre: • água de constituição - presente no tecido lenhoso em combinação química com os principais constituintes. Faz parte da sua constituição e não pode ser eliminada sem destruição do material. Quando a madeira contém somente a água de constituição diz-se que ela está completamente seca ou seca em estufa. • água de impregnação - presente no tecido lenhoso, infiltrada ou impregnada nas paredes celulósicas. Esta infiltração de água entre as fibras de celuloses que estruturam as paredes das células, provoca considerável inchamento dessas paredes, redundando na alteração do volume da peça de madeira. Todo comportamento físico-mecânico do material fica alterado com a presença ou a variação da água de impregnação. Quando as paredes das células estão completamente saturadas de água de impregnação, diz-se que a madeira atingiu o teor de umidade denominado ponto de saturação ao ar. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 9 • água livre - após a impregnação total das paredes celulósicas, a água começa a encher os vazios capilares. A variação do teor de água livre não causa qualquer alteração no comportamento do material. Nos processos de secagem podem ser extraídas a água livre e a água impregnada. Na madeira verde (recém abatida) estão presentes as água de constituição, de impregnação e livre. Durante a secagem, a água livre evapora primeiro; quando estiver praticamente esgota, as paredes celulósicas começam a ceder lentamente a água até então impregnadas. A perda da água de impregnação é acompanhada de contrações, até a madeira atingir um teor de umidade em equilíbrio com o ambiente onde se encontra. Assim, o desenvolvimento da secagem de peças de madeira processa-se através de uma evaporação superficial, acompanhada de uma transfusão interna de umidade, do núcleo para a periferia. A evaporação da água de impregnação é provocada pela diferença de duas tensões de vapor d’água: a elevada tensão de vapor d’água nos tecidos impregnados e a tensão de vapor no ambiente, variável conforme seu grau higrométrico. Quando se equilibram as duas tensões de vapor, cessa a evaporação da umidade da madeira, estabilizando seu peso: diz-se então que a madeira atingiu o teor de umidade de seca ar. A velocidade de evaporação superficial é diretamente proporcional ao gradiente (medida de variação) entre a pressão do vapor d’água no tecido lenhoso do material e a pressão do vapor d’água do ambiente de secagem. A velocidade de transfusão da umidade do núcleo para a periferia depende da constituição do tecido lenhoso e das condições em que se encontram no mesmo a água livre e a água de constituição. Quanto mais traquídeos e vasos contiver o tecido lenhoso, mais rápida será a migração da umidade. Água livre Água de constituição Água de impregnação Contração da madeira Evaporação da água UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 10 A condição de êxito de uma secagem resume-se, portanto, no perfeito controle da velocidade de evaporação superficial, ajustada à espécie lenhosa da madeira e às dimensões das peças. Terminologia da madeira quanto ao teor de umidade Terminologia h (%) Observação madeira verde > 30 com teor de umidade acima do ponto de saturação ao ar. madeira semi-seca > 23 inferior ao ponto de saturação. madeira comercialmente seca entre 18 e 23- madeira seca ao ar entre 13 e 18 é muito freqüente nos empregos correntes da madeira. Por esta razão é utilizado como teor de referência madeira dessecada entre 0 e 13 - madeira completamente seca a madeira contêm somente a água de constituição (é chamada também de seca em estufa) ponto de saturação ao ar - quando as paredes das células estão completamente saturadas de água de impregnação, sem que a água extravase para os vazios celulares. 8.1.2. Secagem Natural Realiza-se pela evaporação lenta e natural da água, e para que ela se efetue em boas condições, é necessário que a madeira tenha todas as suas faces expostas a uma aeração ativa e que ao mesmo tempo esteja abrigada das intempéries e de outras circunstâncias que eventualmente possam vir a prejudicá-la, como o calor úmido e a dissecação rápida e desigual nas diferentes faces. A secagem natural objetiva a redução da umidade das peças de madeira a um valor mínimo compatível com as condições climáticas regionais, no menor tempo possível. A prática corrente na secagem natural é a de dispor-se a madeira descascada debaixo de telheiros, elevadas do solo mediante a utilização de suportes de madeira forte e secos. Os grandes troncos roliços são colocados normalmente na posição horizontal em uma só camada. As peças serradas obtidas das toras, após uma UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 11 secagem preliminar, são colocadas de modo que uma camada esteja separada da outra pela interposição de sarrafos de madeira bem seca. O tempo para a secagem natural varia com a qualidade e dimensões da madeira, e com as condições climatéricas e modo de empilhamento. Em geral esse tempo é de 2 a 3 anos para as madeiras de lei e de 1 a 2 anos para as madeiras brandas. A madeira já serrada sob a forma tábuas, na maioria das espécies, perde metade da sua umidade (água livre) em 20 a 30 dias e o restante até atingir o equilíbrio com o ambiente, num tempo de 3 a 5 meses. Observação: a) a perda de umidade no início é bastante rápida; b) as coníferas secam mais rapidamente que as folhosas densas; c) as madeiras que tem mais alburno secam mais rapidamente; d) a espessura da madeira é também muito importante na velocidade da secagem (quanto menor mais rápida). 8.1.3. Secagem Artificial Realiza-se mediante a utilização de estufas, que permitem a obtenção de temperaturas crescentes pela regulagem da fonte de calor e a obtenção de graus higrométricos ambientes variáveis pela introdução de vapor de água. A secagem artificial objetiva o estabelecimento de uma umidade de equilíbrio higroscópio da madeira, abaixo daquela do estado natural, e assim consequentemente até alcançar-se o teor de secagem desejado. Para tanto procede- se na estufa um programa previamente definido em função da espécie da madeira e da umidade natural do lote a secar, de regulagem da temperatura e da umidade da estufa em estágios sucessivos de equilíbrio higrométrico. 10 35 70 Tempo de secagem (dias) 10 80 40 60 20 30 U m id a d e % ( B a s e s e c a ) CURVA TÍPICA DE SECAGEM DE MADEIRA AO AR LIVRE Fonte: Manual de Secagem da Madeira IPT (1985) UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 12 Para cada espécie, há uma tabela com este programa já determinado. Por exemplo apresentamos a marcha de secagem necessária para a peroba rosa: umidade de madeira temperatura (oC) umidade do ar > 40 % 40 % 30 % 20 % 10 % 46 49 52 57 62 80 % 75 % 70 % 55 % 30 % Os vários estágios de secagem são verificados e acompanhados através de pequenos corpos de prova extraídos da madeira. As estufas são constituídas de: • fonte de aquecimento (serpentinas com vapor); • umidificador (borrifadores de água ou dispersores de vapor); • circuladores de ar (ventiladores e exaustores); • termômetros e psicômetros (termômetros de bulbo seco e úmido). A secagem artificial quando não bem executada apresenta inconvenientes que conferem condições desfavoráveis à madeira. A madeira ao secar, tem a água que ocupava os poros e canais substituídas por ar, se porém, a evaporação for rápida, o ar é impedido de entrar e a diferença de pressão causa o achatamento das células. 8.2. Preservação O objetivo do tratamento preservativo da madeira é o aumento de sua vida útil, correspondendo consequentemente a uma redução de custo, pois se evita as freqüentes substituições de peças em construções permanentes. O emprego de preservativos possibilita a utilização de espécies de madeira consideradas inferiores. 8.2.1. causas da Deterioração da madeira As principais causas de deterioração são: Classificação Descrição da causa Madeira deteriorada anualmente (%) 10 20 putrefação e apodrecimento da madeira fogo 60 20 UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 13 30 40 50 ação de insetos: - cupim (térmita ou formiga branca); caruncho (coleóptero). ação de crustáceos ou moluscos outras causas 10 5 5 8.2.2. Principais Processos de Preservação Os processos de preservação classificam-se em: • processos de impregnação superficial; • processos de impregnação sob pressão reduzida; • processos de impregnação sob pressão elevada. 8.2.2.1. Processos de impregnação superficial Caracterizam-se por pinturas superficiais ou imersão das peças de madeira em preservativos adequados. São processos mais econômicos, normalmente utilizados para a proteção contra fungos e insetos, aplicados em madeira seca de reduzidas dimensões, destinadas ao uso em ambientes cobertos, protegidos e sujeitos a fracas variações higrométricas. exemplos: madeiramento de telhados, madeiramento de entrepisos, etc... A imersão mesmo por poucos minutos, é sempre mais eficiente que a pintura. A imersão pode ser executada no próprio canteiros de obras, em tanques calafetados construídos com tábuas de madeira. A impregnação por meio do processo superficial, será de 2 a 3 mm de penetração, constituindo-se numa película de proteção a madeira. 8.2.2.2. Processos de impregnação sob pressão reduzida Caracteriza-se pelo aproveitamento de pressões naturais, tais como a pressão atmosférica, a pressão hidráulica, a pressão capilar e a pressão osmótica. Os principais processos são: a) Processo de dois banhos (Processo Shelley) Fluxo operacional: I. imergir de topo as peças de madeira em tonel com o impregnante adequado; II. Aquecimento até a temperatura de ebulição da água, mantido durante quatro horas; III. retirada imediata das peças de madeira e imersão em tonel contendo o mesmo impregnante frio (período de 20 a 30 minutos). UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 14 A penetração é forçada pela pressão atmosférica sobre o vácuo relativo que se formou nos vazios do tecido lenhoso com a evaporação da água e expulsão do ar aquecido. O processo é recomendado para o tratamento de ambas as extremidades de postes, moirões de cercas e aramados. b) Processo de substituição da seiva Fluxo operacional: I. colocação das peças de pé em um recipiente; II. imergi-las como impregnante adequado até a altura conveniente em função do uso. O impregnante por pressão capilar e osmose sobe pelo alburno das peças, substituindo a seiva e a umidade natural do tecido lenhoso à medida que as mesmas evaporam na secagem. O processo é lento e depende das condições climáticas que regulam a secagem natural. No verão, por exemplo, para que pontaletes roliços de 15 cm de diâmetro e 3 metros de comprimento estejam convenientemente tratados são necessárias aproximadamente seis semanas. O processo é recomendado para o tratamento de madeira verde (postes, moirões e pontaletes roliços). c) Processo de impregnação por osmose Fluxo operacional: I. aplicação de camada espessa, gelatinosa de imunizante fortemente concentrado, sobre a superfície das peças de madeira, acima e abaixo da linha de afloramento; II. colocação de bandagens de plástico impermeável sobre as zonas tratadas. a impregnação se dá pela pressão osmótica que provoca a mistura de duas soluções salinas de diferentes concentrações, separadas por uma membrana ou parede semipermeável e porosa, através da qual se difundem. No processo, a solução salina concentrada é o imunizante e a solução menos concentrada, a seiva mais a umidade da madeira. O tecido lenhoso é a membrana semipermeável através da qual se difunde o imunizante. O processo é recomendado para peças de madeira verde. 8.2.2.3. Processo de impregnação sob pressão elevada As madeiras são colocadas dentro de um tanque fechado (autoclave), onde o preservativo é impulsionado sob pressão, penetrando nos tecidos lenhosos. Os processos mais clássicos são: UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 15 a) Processo de célula cheia (Bethell) O objetivo deste processo é proporcionar a máxima retenção possível do preservativo, forçado contra a superfície da madeira, durante o período de pressão. Fluxo operacional: I. Carregamento: a madeira seca ao ar é colocada na autoclave de tratamento, seguida pelo fechamento da porta; II. Vácuo inicial: é feito um vácuo de 600 a 630 mm de mercúrio durante um tempo que varia de 30 minutos a uma hora, conforme a permeabilidade da madeira, visando extrair parte do ar das camadas superficiais da madeira, com o objetivo de facilitar a entrada do preservativo para o interior da madeira; III. Manutenção do vácuo desejado por 40 minutos; IV. Admissão do preservativo: é feita a quente (entre 80 e 100oC), aproveitando-se o vácuo existente no interior da autoclave. Ao término desta operação a autoclave deverá estar cheia com a solução preservativa, sem a ocorrência de bolsas de ar; V. Período de pressão: Cheia a autoclave e parte do tanque medidor, liga-se o compressor ou bomba de pressão até que atinja a pressão máxima, que em geral é da ordem de 180 psig. Esta compressão do preservativo é feita através do tanque de medição até que seja absorvida a quantidade de preservativo desejada. Este tempo é função da permeabilidade da madeira que está sendo preservada. (de 15 a 60 minutos); VI. Manutenção da compressão desejada (de 30 a 180 minutos); VII. Descarga de preservativo: é feita pela diferença de pressão existente entre a autoclave e o tanque reservatório; VIII. Vácuo final: de curta duração, visa a eliminação do excesso de preservativo sobre a superfície da madeira, eliminando-se, assim, um desperdício. (mais ou menos 15 minutos); IX. Manutenção do vácuo desejado. (15 minutos); X. Equilíbrio de pressão. Representação gráfica do processo de Bethell 1 2 8 3 4 5 6 7 Horas 0 600 760 400 4,0 8,5 10,5 12,6 V á c u o ( m m ) P re s s ã o ( K g /c m 2 ) I II III IV V VI VII VIII IX X UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 16 Observação: a) os tempos indicados no gráfico são os máximos b) tempo de duração de 250 a 445 minutos b) Processo de células vazias (processo Lowry) Nos processos de célula vazia não se faz o vácuo inicial; o preservativo é injetado na madeira sem a retirada do ar de seu interior. Como conseqüência, ocorre uma compressão do ar dentro da madeira durante o período de impregnação e quando a pressão é interrompida, este ar se expande e expulsa parte do preservativo. Fluxo operacional: I. O preservativo no processo Lowry é injetado na madeira contra o ar já existente nas células, portanto à pressão atmosférica; II. Terminado o período de impregnação, o ar inicialmente bombeado para o interior da madeira se expande e chega a expulsar até 2/3 do total de preservativo absorvido. No caso de madeiras permeáveis este processo assegura penetrações profundas e retenções necessárias para a inibição de fungos apodrecedores. Representação gráfica do processo de Lowry 1 2 8 3 4 5 6 7 Horas 0 600 760 400 4,0 8,5 10,5 12,6 V á c u o ( m m ) P re s s ã o ( K g /c m 2 ) I II III IV V VI VII VIII UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 17 Fases de operação: I. Carregamento da autoclave e enchimento com preservativo; II. Compressão do preservativo; III. Manutenção da compressão desejada; IV.Retirada do preservativo; V. Produção do vácuo final (mais ou menos 15 minutos); VI. Manutenção do vácuo desejado (mais ou menos 15 minutos); VII.Equilíbrio da pressão; VIII. Retirada do excesso de preservativo e descarga do autoclave. Tempo total de 165 a 360 minutos. 8.2.3. Principais Produtos de Preservação A) Características que deve possuir • Não causar efeitos prejudiciais aos operadores que manipulam o preservativo quando equipados com E.P.I. (todos os preservativos são tóxicos ao homem quando desprotegidos); • Após ser tratada e seca, a madeira deve ser inofensiva aos homens e animais; • Ter alto poder tóxico para os organismos destruidores da madeira; • Alta permanência para proteger a madeira durante anos de duração provável; • Não se decompor nem se alterar; • Não ser volátil nem lixiviável; • Não corroer o ferro ou outros metais; • Não deve ser inflamável; • Não deve alterar a cor da madeira; • Deve ser econômico e ser encontrado com facilidade no mercado; • Não deve alterar as propriedades físicas e mecânicas da madeira. B) Escolha do preservativo UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 18 A escolha está ligada às características da madeira. O ideal é que o imunizante selecionado proporcione uma preservação durante um tempo tal que corresponda ao desgaste mecânico da peça de madeira. C) Classificação dos preservativos C.1) Preservativos oleosos C.1.1) Alcatrão Obtido pela recuperação durante o processo de carbonização de diversas matérias primas, tais como madeira, turfa, ignito xisto betuminoso e hulha. Os compostos químicos existentes no alcatrão são: • hidrocarbonetos aromáticos (benzênicos, naftalênicos, polinucleares com cadeias laterais não saturadas); • hidrocarbonetos parafínicos; • hidrocarbonetos olefínicos; •hidrocarbonetos naftênicos (ciclohexano); • compostos oxigenados (fenóis, neutros); • compostos nitrogenados; • compostos orgânicos sulfurados; • componentes inorgânicos (hidrogênio, nitrogênio). O uso do alcatrão em preservação de madeiras é restrito devido à alta viscosidade. É empregado pelo método do banho quente - frio para impregnação de moirões. C.1.2. Creosoto do alcatrão da hulha É um produto destilado do alcatrão procedente da carbonização da hulha betuminosa, á alta temperatura. Contém mais de 200 compostos orgânicos grupados em três classes: • hidrocarbonetos (80%) = conferem boa permanência (benzeno, tolueno, xileno, naftaleno, antraceno, fenantreno e fluoreno. • ácidos orgânicos de alcatrão (15%) = boa toxidez (naftol, fenol, cresol e xilenol). • bases orgânicas de alcatrão (5%) = boa toxidez (piridinas, quinolinas e acridinas). C.1.3. Creosoto de madeira Obtido como um subproduto da destilação da madeira. É o mais antigo preservativo conhecido pelo homem. A madeira é destilada para a obtenção do carvão; com a recuperação dos produtos gasosos obtém-se o alcatrão, ácido acético e metanol. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 19 Parte dos gases liberados durante a carbonização pode ser condensada dando origem ao licor pirolenhoso bruto, que é composto basicamente de água, ácido acético e alcatrão dissolvido e em suspensão. Por decantação separa-se o alcatrão insolúvel com um rendimento de 4 % a 20 % em relação à massa inicial da madeira seca. C.1.4. Soluções de creosoto-petróleo O petróleo tem sido usado como diluente do creosoto de alcatrão de hulha, na proporção de até 50 % em volume. A finalidade básica do adicionamento do petróleo é a redução do custo do preservativo. A toxidez da solução é tanto menor quanto maior for à percentagem de petróleo adicionada. As soluções de creosoto-petróleo apresentam, usualmente, viscosidade mais elevada do que o creosoto puro e, por conseguinte, não penetram na madeira na madeira com a mesma facilidade. C.1.5. Pentaclorofenol Possui todas as propriedades necessárias para ser considerado um dos melhores produtos de preservação. Tem grande poder fungicida. É tóxico contra todos os organismos que destroem a madeira, exceto aqueles de origem marinha, como a limnoria e o teredo. É praticamente insolúvel em água, o que lhe dá excelente resistência à preservação com o pentaclorefenol depende do peso especifico e do ponto de ebulição do solvente usado como veículo. O produto deve conter 95 % de pentaclorofenol, calculado com base na hidroxila titulada do álcalis. sua fórmula molecular é C6CL5OH. É obtido por cloração direta do fenol, até a completa substituição de todos os átomos de hidrogênio por átomos de cloro. Diversos tipos de óleo podem ser empregados como veículo desse preservativo, desde petróleo bruto, no caso de dormentes, até óleos leves, do tipo diesel, quando se deseja tratamento limpo. C.2. Preservativos hidrossolúveis Em virtude da escassez e custo do petróleo, os preservativos hidrossolúveis vem assumindo uma importância cada vez maior no cenário da preservação da madeira. A maioria dos hidrossolúveis contém mais de uma substância química na sua formulação. Em muitos casos o objetivo do emprego de dois ou mais tipos de moléculas no mesmo produto é a precipitação de um composto insolúvel na madeira, a partir da reação entre os componentes originais, composto esse que deve possuir ação contra os agentes de deterioração. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 20 Os preservativos hidrossolúveis são patenteados, e por isso não podem ser empregados sem a licença do fabricante. exemplos: • arseniato de cobre cromatado (cromo hexavalente = CrO3 com 35,3%, cobre = CuO com 19,6 % e arsênio = As2O3 com 45,1 %) • cromato de cobre ácido (cobre = CuO com 31,8% e cromo hexavalente = CrO3 com 68,2%) 8.3. Transformação Os processos de transformação da madeira visam uma reestruturação do material com rearranjo de suas fibras resistentes, para obtenção dos seguintes beneficiamentos: • Homogeneidade de composição e razoável isotropia no comportamento físico e mecânico; • Facilidade de secagem e de aplicação de tratamentos efetivos de preservação, quando o material, antes da aglomeração, está reduzido a lâminas finas ou pequenos fragmentos. • Melhoria das características físicas (retrabilidade, massa específica) ou mecânicas (cisalhamento, fendilhamento, etc) por meio de alternativas nos processos de fabricação; • Fabricação de chapas e blocos com dimensões adequadas a moderna tecnologia de pré-fabricação modulada; • Vantagem econômica de representar em aproveitamento integral de todo material lenhoso contido nas árvores. 8.3.1. Madeira Laminada Consiste na colagem entre si de tábuas sobrepostas para a execução de estruturas de madeira. As peças de madeira laminada podem ser retas ou curvas, de qualquer largura e comprimento, de seção constante ou variável, produzidas já aparelhadas, tratadas e prontas para uso. As estruturas de madeira laminada e coladas foram concebidas na Alemanha em 1905 pelo engenheiro Otto Hetzer. São vigas ou peças rígidas de madeira, de seção retangular ou duplo “T”, em estruturas pré-fabricadas, bi ou triarticuladas, constituindo pórticos ou arcos para quaisquer vãos e flechas. Para a confecção da madeira laminada são utilizadas tábuas de serraria com espessura reduzida (25 mm) e comprimento e largura variáveis, e colas especiais para madeira. A operação de produção é bastante simples, porem requer grandes instalações. As tábuas após a secagem em estufas, e tratadas quando for o caso, são aparelhadas e submetidas em máquinas especiais para a colocação e distribuição da cola em ambas as faces. Procedida esta operação as tábuas são unidas de forma a obter-se a seção e o comprimento desejado e submetidas a prensagem por meio de “sargentos ”ou sistemas hidráulicos. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 21 Os ensaios executados pelo IPT - Instituto de Pesquisa Tecnológica de São Paulo, indicaram os seguintes resultados: Material ensaiado peças estruturais laminadas coladas e pórticos triarticulados de fabricação controlada Características 15 lâminas de pinho coladas com cola de caseína-padrão, em temperatura ambiente, com pressão de 7 Kg/cm2 em 12 horas. Resultado resist. à flexão = 170 Kgf/cm2 resist. à compressão = 120 Kgf/cm2 Comentários Tanto a resist. à flexão quanto a resist. à compressão da madeira laminada apresentaram incrementos de 70 % sobre a madeira natural, o pinho. 8.3.2. Madeira compensada É o conjunto de três ou mais lâminas ou folhas, delgadas de 1 a 5 mm, de madeira coladas alternando-se a direção das fibras com o ângulo reto. O nome compensado vem da compensação de esforços (distribuição) que ocorre, face as diferenças de contrações e de resistência mecânica que a madeira apresenta quando perde umidade. Isso se obtém, graças à alternação da direção das fibras nas diversas lâminas e a utilização de colas capazes de suportar o movimento e a contração das lâminas. Para a obtenção das lâminas são utilizadas máquinas de folhear, em que os troncos das árvores são cortados por desenrolamento, permitindo obter folhas de madeira de pequena espessura e grandes dimensões. Para facilitar o corte às toras são amolecidas previamente por meio de vapor ou banho de água quente (madeiras duras= 60 horas de 40 a 50oC). + Lâmina 1 Lâmina 2 + Lâmina 3 + Lâmina 4 + Lâmina 5 Alternância da direção das fibras das lâminas de madeira UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 22 Como resíduo desta operação, fica o rolete central do tronco, com cerca de 12 a 20 cm de diâmetro. 8.3.2.1. Principais vantagens da madeira compensada • Resistência uniforme ao longo da peça; • Eliminação da contração (evitando fendas e empenamentos); • Obtenção de chapas com tamanho até 2,20 x 1,20 m, impossível de se obter em madeira maciça; • Melhor aproveitamento da madeira (o desdobro de uma tora na serraria dá um rendimento de 70 %, já na fabricação do compensado obtém-se um rendimento de 90 %). 8.3.2.2. Utilização • Compensados de 3 folhas = para marcenaria e revestimentos (são heterogêneos e não indicados para trabalho mecânico); • Compensados de 5 folhas = já podem ser considerados homogêneos • Compensados de 7 folhas = São considerados homogêneos, apresentam cerca de 50 % de resistência e módulo de elasticidade da madeira empregada em sua fabricação. 8.3.3. Madeira aglomerada São as chapas obtidas por aglomeração de pequenos fragmentos de madeira. Os fragmentos são obtidos pela desintegração do tecido lenhoso. A aglutinação e prensagem é auxiliada pelas próprias resinas naturais ou ligantes adicionados. No Brasil utiliza-se normalmente, como matéria prima básica o eucalipto (por ser abundante, barato e por atingir em mais ou menos 4 anos o porte necessário para um Lâmina de corte Pressão Vista da tora sendo folheada por máquina de folhear serra Corte Lâmina de corte Folha Tronco UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 23 bom aproveitamento), outras madeiras como o pinho, cedro, etc , e cascas de cereais, trapos de algodão e linho, bambu, bagaço de cana de açúcar e inclusive resíduos de oficinas que trabalham com madeiras. As matérias primas complementares são: a parafina com seu dissolvente, o ácido óleico e o breu (chapas isolantes), que tem a função de aglutinantes; o alúmen ou simplesmente sulfato de alumínio para precipitar elementos estranhos e facilitar a eliminação da água da polpa e outros aditivos. Para a fabricação dos aglomerantes são observadas as seguintes operações: a) Obtenção dos fragmentos de madeira - As toras de diâmetro de 5 a 30 cm e comprimento de 1,50 a 2,00 m, descascadas e previamente lavadas, são colocadas na máquina picadora (chipper); b) Seleção dos fragmentos - Em seguida os fragmentos são passados em peneiras, eliminando-se os menores de 2 cm (serão utilizados como combustível) e os maiores que 5 cm que serão repicados; c) Armazenamento dos fragmentos em silos; d) Desfibramento dos fragmentos e preparo da polpa mediante o emprego de desfibradores primários do tipo “Asplund” é procedido o desfibramento dos fragmentos, que são conduzidos a uma zona de aquecimento por transportadores helicoidais, onde recebem vapor d’água saturado sob pressão de 8 a 14 atmosferas. Em seguida entram na câmara de moagem, onde dois discos de aço duro raiados, giram em sentido contrário, provocando a desintegração dos fragmentos em feixes de fibra. Procede-se então a liberação por válvulas especiais, das fibras e do vapor, que saem em forma de ciclone, ao qual se adiciona água em quantidade necessária para formar a polpa. O processo é refeito, para a obtenção do refino da polpa, utilizando-se o desfibramento a frio. A polpa refinada e filtrada para substituição da água é depositada em tanques e mantida em agitação contínua, sendo feitas às adições de parafina dissolvida, ácido oléico, às vezes breu, resinas sintéticas, etc... e) Laminação da polpa para a formação da chapa - Em máquinas semelhantes às de produção de papel e papelão, constituída de grande tela de latão e cilindros. Sobre a tela é drenada a polpa que perde grande quantidade de água e espalhada pelos cilindros colocados a distâncias variáveis de acordo com a espessura do colchão desejada. O colchão é cortado por facas rotativas com dimensões adequadas conforme o fabricante (exemplo = 2,50 x 5,00 - eucatex; 1,25 x 5,60 - duratex). Há ainda chapas que recebem camada na parte superior de polpa de celulose pura, formando acabamento que dispensa pintura. f) Secagem das chapas (no caso de isolantes) - As chapas são conduzidas por rolos a uma estufa aquecida por resistência elétrica de grande extensão (mais ou menos 40 m.), onde permanecem por 90 minutos. Ao saírem da estufa estão prontas as chapas isolantes, que podem ter ou não acabamentos posteriores (chapas acústicas perfuradas, ranhuradas, etc...); UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 24 g) Prensagem (chapas tipo prensadas) - Para a formação de outros tipos de chapas, os colchões saírem direto da laminação, com cerca de 60 % de umidade e são submetidos a prensagem enérgica que pode atingir 55 Kg/cm2, com os pratos aquecidos a 160 - 200 oC (por exemplo um colchão com 20 mm de espessura, produz chapa com 3,5 mm). Para a obtenção dos diferentes acabamentos, são colocados no prato superior matrizes com desenho e relevo desejado.; h) Secagem e climatização (resfriamento) - Após a prensagem as chapas são introduzidas em estufas comuns e controlada a umidade durante 3 a 6 horas, à temperatura de 150 a 160oC de modo a se ter a umidade de 7% nas chapas ao saírem da estufa; i) Corte e acabamento - As chapas são cortadas em serras automáticas nas dimensões 1,22 x 2,50 m, 1,22 x 2,75 m, 1,22 x 3,00 m, 1,75 x 2,50 m, etc. As chapas do tipo isolante são aplicadas em revestimentos, forros e entrepisos, como materiais de isolamento térmico e absorção. As chapas tipo prensadas são utilizadas em paredes de vedação, esquadrias, mobiliário e em casos especiais com função estrutural (testes rigorosos). 8.3.4. MDF – Medium Density Fiberboard MDF significa Chapa de Fibras de Madeira de Média Densidade. O MDF é praticamente equivalente à madeira nas possibilidades de trabalhar a matéria-prima. Os painéis são superfícies grandes perfeitamente homogêneas e sem orientação das fibras, o que permite cortes em qualquer sentido e apresentação de superfície lisa e uniforme ao toque. É produzido a partir das fibras de madeira aglutinadas por uma resina sintética. Suas etapas de produção compreendem: a) Descascador – Retirada das cascas das toras de Pinus (Cerca de 10% do peso das toras são cascas, que são aproveitadas para gerar energia no processo produtivo). b) Produção de cavacos – Madeira submetida ao picador que gera os cavacos. c) Lavagem dos cavacos – Para retirar a areia (sílica) presente na madeira, que prejudica a qualidade do produto. d) Produção de fibras – Mediante emprego da desfibradora termodinâmica. e) Mistura da cola com a fibra de madeira – Resina melamínica uréia-formaldeído. f) Secagem da madeira – A mistura fibra mais resina no secador sofre redução de umidade de 80% para 10%. g) Produção do colchão de fibras – Equipamento que distribui as fibras de madeira uniformemente num processo a seco. h) Prensagem – Processo mecânico para a formação das chapas MDF. i) Climatização – Cura termoquímica para estabilidade dimensional e cura da resina. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 25 j) Acabamento – Acabamento das bordas e dimensões. Os painéis de MDF sãoclassificados quanto às dimensões em: a) Finos = de 1,8 a 6,0mm. b) Médios = de 7,0 a 30,0mm. c) Grossos = até 60,0mm. Além do uso para a fabricação de móveis em geral, o MDF na construção civil, pode ser utilizado como pisos finos, rodapés, almofadas de portas, divisórias, portas usinadas, batentes, balaústres e peças torneadas. Principais vantagens do MDF: a) Permitir a usinagem tanto nas bordas como nas faces (distribuição uniforme das fibras); b) Permitir ser entalhada e torneada; c) Ter consistência e características mecânicas próximas da madeira maciça; d) Ter establilidade dimensional. Principais desvantagens do MDF: a) Ter uso externo limitado, pouco resistente à umidade; b) Requer proteção (pintura e envernizamento); c) Ser pouco resistente às intempéries; d) Preço alto. 8.3.5. OSB – Oriented Strand Board OSB significa Painel de Tiras de Madeira Orientadas. Seu processo produtivo utiliza 100% de tiras de madeira de pinus, orientadas em três camadas perpendiculares que aumentam a sua resistência mecânica e rigidez. As tiras são unidas com resinas e prensadas sob altas temperaturas. Suas vantagens e desvantagens são similares ao compensado. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 26 8.3.6. Colas e aglomerantes de madeira As colas acima de outros elementos de ligação de madeiras, tais como pregos, parafusos, etc, oferecem a ligação ideal, do ponto de vista da resistência, pois a transmissão dos esforços faz-se ponto por ponto, de peça para peça sobreposta e sem que ocorra a redução da seção resistente e concentrações de tensões. As colas devem apresentar: • Resistência suficiente aos esforços, principalmente de cisalhamento; • Durabilidade igual ou superior à madeira envolvida, à ação da umidade, da temperatura e dos microrganismos. 8.3.6.1. Classificação das colas a) Colas de origem natural (animal ou vegetal) - São proteínas animais de ossos, peles, peixe (colas de carpinteiro) e caseína de leite, ou proteínas vegetais de soja, amendoim e caroço de algodão. Apesar de apresentarem boa resistência mecânica, são vulneráveis à umidade e à temperatura, tendo fraca durabilidade. São usadas principalmente em serviços de marcenaria. b) Resinas sintéticas - Obtidas pela condensação e posterior polimerização de produtos fenólicos pelo aldeido fórmico. Os mais usados são dos tipos: fenol - formol; uréia - formol; resorcina - formol e melamina - formol. Os fenol - formol e melamina - formol são usadas em laminados à prova d’água e aglomerados, pois exigem altas temperaturas para polimerização (130 a 260 oC) e grandes pressões de colagem (8 a 20 Kg/cm2). Apresentam grande resistência mecânica e durabilidade à ação da umidade, temperatura e microrganismos. Exigem cuidados especiais e custos maiores na preparação e aplicação. 9. Propriedades da Madeira 9.1. Fatores que alteram as propriedades da madeira A madeira assim como os outros materiais e produtos utilizados na construção civil, requerem a realização de testes para a determinação de suas características físicas e mecânicas, para assegurar a sua adequação aos requisitos da obra. Entretanto, considerando-se a anisotropia e heterogeneidade, características da madeira, nos resultados dos testes, deverão ser considerados alguns fatores que alteram as propriedades físicas e mecânicas. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 27 Estes fatores podem ser naturais, provenientes da própria natureza das espécies, ou tecnológicos, provenientes das técnicas e métodos utilizados nos ensaios. 9.1.1. Fatores naturais a) Espécie botânica As propriedades da madeira variam de acordo com a espécie botânica, em virtude da grande variação anatômica e a constituição do tecido lenhoso. Dessa forma, faz-se necessária a realização da identificação botânica da espécie a ser explorada. b) Localização da peça no lenho Em função do local da extração da amostra na tora, haverá grande variação nos resultados dos ensaios. assim a amostra deverá ser perfeitamente representativa para assegurar a confiabilidade dos resultados obtidos. c) Massa especifica Todas as propriedades da madeira estão correlacionadas com sua massa especifica aparente, ou, seja variam conforme a maior distribuição ou concentração de material no tecido lenhoso. d) Teor de umidade A madeira em função da sua constituição estrutural, formada de paredes celulósicas hidrófilas, tem suas propriedades mecânicas muito alteradas em função da variação de seus teores de umidade. A madeira seca terá resistência mecânica máxima e completamente saturada, mínima. e) Defeitos Os defeitos em função da sua quantidade, localização e dimensões na peça, provocam grandes alterações nas propriedades físico-mecânicas da madeira. 9.1.2. Fatores Tecnológicos São alterações introduzidas nos resultados dos ensaios, provenientes da própria metodologia utilizada ( velocidade e uniformidade de aplicação de carga) e da forma e dimensões dos corpos de prova. 9.2. Amostragem para ensaios tecnológicos A formação da amostra representativa e os métodos padronizados para a realização dos ensaios tecnológicos na madeira, estão prescritos na norma ABNT NBR 6230 “Ensaios físicos e Mecânicos em Madeira - Método de Ensaio”. Para uma determinação das propriedades de uma certa espécie de uma determinada zona, serão necessários para os ensaios no mínimo 3 toras de madeira, de diâmetro UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 28 maior que 0,50 m e de comprimento superior a 3,00 m. Caso o diâmetro da tora não atinja esta dimensão, serão necessários dois trechos centrais de 1,40 m para fornecerem corpos de prova de 6 x 6 cm de seção transversal e pelo menos 4,50 m de comprimento de tora. Nas figuras apresentadas a seguir estão representadas as seções onde serão retirados os corpos de prova. Localização na tora onde são marcados os corpos de prova Marcação dos corpos de prova nas várias seções da tora. A numeração par da seção S1 indica corpos de prova mais próximos à raiz e a ímpar, S3, mais próximos à ponta da árvore. Maneira de retirar os corpos de prova Os corpos de prova serão extraídos das seções das toras conforme especificado em cada ensaio nos seguimentos conforme indicado na figura a seguir apresentada. S3 S2 S1 0,80 1,40 0,80 A1 A3 A5 A7 A9 A11 A13 A15 A17 A19 A2 A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16 A18 A20 AL1 AL3 AL5 AL2 AL4 AL6 AL7 AL9 AL11 AL8 AL10 AL12 S2 S3 S1 UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 29 9.3. Ensaios tecnológicos para a determinação das propriedades Os ensaios são executados sempre no sentido mais desfavorável das fibras e em condições convencionadas de teor de umidade. 9.3.1. Umidade A. Aspectos gerais Todas as propriedades mecânicas e também a massa específica, variam sensivelmente com o teor de umidade da madeira. Conforme já estudado há várias expressões utilizadas para identificar o teor de umidade da madeira. Podemos dizer que o teor de umidade seco ao ar é muito importante tendo em vista ser muito freqüente nos empregos correntes do material. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material deConstrução PROF. JORGE SANTOS 30 Assim, para a realização dos ensaios utiliza-se os corpos de prova com este teor de referência de umidade. A madeira é considerada seca ao ar, quando exposta durante algum tempo, não apresentar variação de peso, entre duas pesagens sucessivas e brevemente distanciadas (teor de 13 a 17 % de umidade). A norma brasileira de forma a tornar os resultados dos ensaios comparáveis para as diversas espécies, convencionou um teor de umidade de 15 %, denominado teor de umidade normal. Assim, todos os resultados obtidos são convertidos para o teor de 15 % de umidade. Após o corte da árvore a madeira, contém as águas de constituição, de impregnação e livre (de capilaridade), o que lhe confere os seguintes teores de umidade: • madeiras folhosas = + ou - 52 % • madeiras resinosas = + ou - 57 % • madeiras muito leves = + ou - de 90 a 100 % B. Descrição do ensaio Para corpos de prova de pequenas dimensões (2 x 2 x 3 cm) o teor de umidade é obtido por secagem em estufa a 100 - 105 oC, até constância de peso, assim considerado quando a última pesada não diferir da anterior mais de 1%. Para peças maiores deverão ser retiradas amostras abrangendo toda a seção transversal. H = Ph - Ps x 100 Ps onde: H = umidade referida à madeira seca, expressa em %; Ph = peso do corpo de prova úmido; Ps = peso do corpo de prova seco. 9.3.2. Massa específica aparente A. Aspectos gerais É o peso por unidade de volume aparente da madeira, considerado um teor de umidade. Representa a maior ou menor concentração e distribuição de tecidos lenhosos e vazios capilares. Assim todas as propriedades físicas e mecânicas da madeira sofrem grande influência da massa específica aparente. A massa específica aparente é variável de espécie para espécie de árvore e na mesma espécie, varia ainda em função do local de extração do corpo de prova, sendo maior da raiz para a copa e da medula para o alburno. Exemplo: Variação da massa específica da peroba rosa: UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 31 • próximo da raiz e da medula = 0,98 g/cm3 • próximo da e alburno = 0,80 g/cm3 A massa específica aparente varia também em função do teor de umidade, sendo maior quanto maior for a umidade. Quanto a massa específica aparente as madeiras classificam-se em: madeiras massa específica aparente (g/cm3) resinosas frondosas muito leves 0,4 0,5 leves 0,4 - 0,5 0,5 - 0,65 semipesadas 0,5 - 0,6 0,65 - 0,8 pesadas 0,6 - 0,7 0,8 - 1,0 muito pesadas >0,7 >1,0 Fonte: Eládio G.R. Petrucci Algumas massas específicas aparente de madeiras nacionais conhecidas (a 15 % de umidade em g/cm3): açoita-avalo = 0,62 cabriúva = 0,89 canela preta = 0,63 cedro = 0,49 eucalipto tereticornis = 0,89 louro = 0,69 peróba-rosa = 0,76 pinho = 0,56 B. Descrição do ensaio Os corpos de prova terão dimensões de 2 x 2 x 3 cm em quantidades de 40 corpos de prova abrangendo quatro zonas diametrais em duas seções transversais da tora, S3 (barras A1 - A39) e S1 (barras A2 - A40). Os corpos de prova deverão estar secos ao ar e o ensaio atender a seguinte seqüência: I. Pesar o corpo de prova com aproximação de 0,01 g; II. Determinar o volume do corpo de prova com precisão de até 0,01 cm3 por meio de método hidrostático ou volumenômetro de Breuil, usando-se mercúrio vivo como líquido necessário para produzir reações. A massa específica será obtida: dn = peso(g) volume UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 32 O resultado obtido deve ser corrigido para o teor de 15 % de umidade, por meio da fórmula aproximada: d15 = dn + dn (0,01 - v) (15 - n) onde: d15 (g/cm3) = massa específica aparente a 15 % d n (g/cm3) = massa específica a n %; n (%) = umidade do corpo de prova no momento do ensaio v (%) = coeficiente de retrabilidade volumétrica 9.3.3. Retrabilidade A. Aspectos gerais Também chamada de contração, é a propriedade que a madeira apresenta de alterar seu teor de volume, quando o seu teor de umidade varia entre o ponto de saturação ao ar a condição de seca em estufa. Os valores médios de retração da madeira são os seguintes: tipo de retração de verde a 0 % (%) de verde a 15 % (%) linear/tangencial 4 - 14 2 - 7 linear/radial 2 - 8 1 - 4 linear/axial 0,1 - 0,2 0,05 - 0,1 volumétrica 7 - 21 3 - 10 Observa-se que a madeira se contrai aproximadamente a metade do total ao se estabilizar sua umidade com o meio ambiente Dessa forma verifica-se que a retrabilidade se manifesta de maneira diferencial conforme o sentido das fibras e varia também em função da variação do teor de umidade. Exemplo de retrações em algumas madeiras nacionais: espécies radial (%) tangencial (%) volumétrica (%) coeficiente açoita-cavalo cabriúva canela- preta cedro eucalipto tereticornis louro pinho 3,04 2,75 2,90 2,96 6,46 3,42 3,50 7,29 6,12 7,16 5,40 17,10 7,78 6,76 11,93 10,03 14,51 11,81 23,24 10,30 13,10 0,44 0,47 0,46 0,38 0,56 0,41 0,51 UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 33 peroba-rosa 3,70 6,90 12,20 0,55 V = Ch h V = Coeficiente de retrabilidade volumétrica Ch = Contração volumétrica parcial h = Teor de umidade seco ao ar A retrabilidade axial é quase desprezível. Fonte : ITERS-RS Para a utilização da madeira é preciso considerar-se o fenômeno da retrabilidade de forma a evitar-se a introdução de tensões internas diferenciadas, causadoras de empenos, rachas e fendas de secagem. deverão ser tomadas as seguintes precauções: • Emprego de madeira com grau de umidade compatível com o ambiente; • Emprego da operação de desdobro mais adequado (notadamente o radial); • Impermeabilização superficial, pintura ou envernizamento, etc. B. Descrição do ensaio B.1. Contração volumétrica Os corpos de prova utilizados são de 2 x 2 x 3 cm em quantidade igual a 20 cps extraídos da S1 (barras A1 - A19) e S3 (barras A2 - A20). As medidas de volume são executadas pelo método descrito para a massa específica. Os cps devem ser pesados ao mesmo tempo para se poder calcular a umidade para a qual foram obtidos os volumes. A contração volumétrica, será obtida a partir de um determinado teor de umidade até a completa secagem, consiste em medir o volume do corpo de prova duas vezes, calculando-se a contração em porcentagem, pela fórmula: Ct = Vn - Vo x 100 Vo onde: Ct = contração volumétrica; Vn = volume do cp com teor de umidade n%, a partir do qual se deseja o valor da contração Vo = volume do mesmo corpo de prova depois de completamente seco Executam-se medidas de volume em cada cp para três teores característicos de umidade: • Madeira verde - Entre os pontos P e V do gráfico apresentado a seguir. Neste trecho o teor de umidade está acima do ponto de saturação do ar. • Madeira seca ao ar - Entre os pontos A e B, correspondente ao equilíbrio entre a umidade do cp e o ambiente. • Madeira completamente seca. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 34 Os elementos colhidos de maior interesse são: • Contração volumétrica total - Perda em % de volume da madeira,passando do ponto de saturação ao ar, ao de seca em estufa. • Coeficiente de retrabilidade volumétrica ou % de variação de volume para variação de unidade na % de umidade. É obtido com a determinação do volume para madeira seca ao ar, dividindo-se o valor da contração volumétrica do ponto considerado, pelo teor de umidade com o qual se realizou a medida. • Ponto de saturação ao ar - Resulta do quociente entre a contração volumétrica total e o coeficiente de retrabilidade. É o ponto que fixa a condição em que as cavidades ou vasos entre as células estão vazias de água mas as paredes das mesmas continuam inteiramente saturadas. B.2. Contrações lineares Utiliza-se corpos de prova similares aqueles adotados para a contração volumétrica. O processo consiste em realizar-se medidas lineares, com aproximação de 0,01 mm com um palmer de precisão, servindo de referência pequenos pregos fixados segundo os três sentidos dominantes das fibras (tangencial, axial e radial). 0 5 10 1,0 2,0 3,0 4,0 Umidade V a ri a ç ã o V o lu m é tr ic a % A B P V C o n tr a ç ã o V o lu m é tr ic a T o ta l UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 35 As observações são realizadas para 3 teores característicos de umidade, os mesmos especificados para as medidas da contração volumétrica. O cálculo é efetuado através da seguinte fórmula: Clin = Ln - Lo x 100 lo onde: Ln = medida linear para o teor de umidade de n%, realizada externamente aos pregos; Lo = medida realizada nas condições anterior, para o material completamente seco; lo = distância final, com material completamente seco, entre o centro dos pregos. 9.3.4. Condutibilidade térmica Face a sua conformação celular (massas de ar aprisionadas) e a sua constituição celulósica (membranas, más condutoras de calor), a madeira apresenta-se como um mau condutor térmico. Seu coeficiente de condutibilidade térmica é da ordem de 0,1 Kcal/m2/h/oC (número K de quilocalorias que atravessa 1 m2 de parede de madeira durante uma hora, por metro de espessura e por grau de diferença de temperatura entre as duas faces da parede). Outros materiais apresentam: • alvenaria de tijolos = 0,5 a 1,0 Corpo de prova Palmer L0 l0 UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 36 • concreto = 1,2 • pedras naturais = 2 a 3 • aço = 50 • cobre = 300 A condutibilidade térmica varia segundo a espécie, o grau de umidade e ainda segundo a direção de transmissão do calor, sendo maior paralelamente que transversalmente às fibras. Exemplo: Condutibilidade térmica do pinho seco ao ar: • transversalmente às fibras = 0,093 Kcal/m2/h/oC • paralelamente às fibras = 0,170 Kcal/m2/h/ oC 9.3.5. Condutibilidade elétrica Quando seca, a madeira é um excelente material isolante de elevada resistividade, entretanto, quando úmida, é condutora, como a maioria dos materiais que contém sais minerais. A resistividade da madeira depende do teor de umidade, da espécie lenhosa, do sentido em relação às fibras e da massa específica. É duas a quatro vezes mais fraca no sentido axial que no sentido transversal e um pouco mais fraca no radial que no tangencial. Os valores médios de resistividade transversal para madeiras em geral, são: umidade (%) resist. (megaohms/cm) 7 10 15 25 22000 600 18 0,5 9.3.6. Resistência à compressão A. Aspectos gerais A determinação da resistência à compressão da madeira é realizada em corpos de prova no estado verde e na condição de secos ao ar. Estes procedimentos tem os seguintes objetivos: • Madeira verde - Determinar um valor médio para o cálculo das tensões admissíveis que serão adotadas nos projetos de estruturas de madeira para dimensionamento das peças. Os valores assim obtidos, serão na condição mais desfavorável de umidade. UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 37 • Madeira seca ao ar - Determinar um valor médio, que após a conversão ao teor de 15 % de umidade, permitira a comparação com outras espécies lenhosas, tornando-se o índice qualificado da espécie. Estas características decorrem da grande influência que o teor de umidade tem sobre a resistência à compressão da madeira. A realização de ensaios em diferentes teores de umidade, desde verde até o estado de secos em estufa, permitem a obtenção de curva de “variação de resistência x variação de umidade”. Na curva, do trecho retilíneo entre os teores de umidade 10 e 20 %, podemos obter o coeficiente de correção de umidade “C”, que expressará a variação em Kgf/cm2 para variação de 1 % de umidade. Assim teremos: C = σ10 - σ20 x 100 (Kgf/cm2/1 % h) 10 Este coeficiente permitirá a correção dos valores obtidos nos corpos de prova secos ao ar para o teor de umidade normal (15 %): σ15 = σh + C x (h - 15) onde: σ15 = resist. à compressão convertido a 15 % de umidade. σh = resist. à compressão com h % seco ao ar. C = coeficiente h = teor de umidade seco ao ar. 1500 1000 500 0 10 20 30 40 R es is tê nc ia à C om pr es sã o K gf /c m 2 Umidade % Curva Experimental – PEROBA-ROSA (Fonte IPT) UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA Materiais de Construção I Apostila: Madeira Como Material de Construção PROF. JORGE SANTOS 38 Se procedermos uma análise na curva experimental poderemos fazer as seguintes considerações sobre a resistência à compressão das madeiras: • A resistência máxima é obtida com a madeira seca em estufa (0% de umidade); • A resistência é diretamente proporcional ao teor de umidade quando secas ao ar (em torno de 15%); • A resistência é mínima e quase constante quando a madeira está verde (acima de 30%). A resistência à compressão da madeira sofre também grande influência da sua massa específica aparente. Os laboratórios, mediante a realização de muitos ensaios, possuem curvas experimentais, correlacionando a resistência à massa específica aparente para diversas espécies lenhosas. Estas curvas permitem o estabelecimento de valores médios e de fórmulas empíricas que a partir da massa específica aparente, indicam a resistência à compressão aproximada da madeira. Exemplo: σ15 = (663 x D - 1,04) Kgf/cm2 onde: σ15 = resistência à compressão à 15 % de umidade D = massa específica aparente A madeira submetida ao esforço de compressão axial, apresenta comportamento elástico, ou seja deformações diretamente proporcionais às tensões, para tensões que não ultrapassem cerca de ¾ do limite de resistência. A seguir apresentamos a resistência à compressão média de algumas espécies (Kg/cm2) brasileiras: espécie limite de resistência módulo de elasti limite de propor- madeira verde umidade (15%) cidade (verde) cional. (verde) açoita-cavalo 332 446 116.364 265 cabriúva 617 762 173.125 478 canela-preta 268 397 87.210 199 cedro 242 379 97.658 209 eucalipto tereticornis 400 543 126.831 307 louro 468 592 146.521 367 pinho 293 551 146.497 245 peroba-rosa 430 537 112.900 296 Fonte ITERS B. Descrição do ensaio UFRJ – ESCOLA POLITÉCNICA
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